DE2311423C3 - Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 1 K liegen, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zuführungskanal zur Zuführung eines im wesentlichen aus ³He bestehenden Mediumstromes versehen ist und durch einen mit dem Zuführungskanal in wärmeaustauschender Beruhrung stehenden Verbindungskanal mit einem Verdampfer verbunden ist, wobei im Betrieb die Mischkammer, der Verbindungskanal und der Verdampfer ein Gemisch aus ⁴He und ³He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung für im wesentlichen dampfförmiges ³He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, dessen eines Ende in den Verdampfer in der Nähe des Bodens mündet

Eine Vorrichtung der vorstehend erwähnten Art ist bekannt aus der US-PS 31 95 322 (Fig. 10). Bei dieser ""' bekannten Vorrichtung befindet sich in der eine Temperatur von O₁I K aufweisenden Mischkammer, dem Verbindungskanal und dem eine Temperatur von 0,65 K aufweisenden Verdampfer ein Gemisch aus ⁴He und ³He, Der Verdampfer wird dadurch auf dieser niedrigen Temperatur gehalten, daß Dampf abgesaugt wird, der infolge der größeren Flüchtigkeit im wesentlichen aus ³He besteht

Durch den Zuführungskanal, der mit dem Verbindungskanal im Wärmeaustausch steht, wird der Mischkammer ein im wesentlichen ³He enthaltender Mediumstrom zugeführt

Unterhalb von 0,9 K erfolgt in flüssigen ³He-⁴He-Gemischen eine Phasentrennung in eine ³He-reiche Phase und eine ³He-arme Phase. Diese Phasentrennung findet in der Mischkammer statt Beim Obergang der zugeführten ³He-reichen Phase in die ³He-arme Phase erfolgt eine Verdünnung, und die dafür erforderliche Mischwärme liefert eine Kühlwirkung. Danach entspannt sich das im, in dem Verbindungskanal befindliche, supraflüssigen ⁴He enthaltene ³He, wobei eine große Kältemenge erzeugt wird, die jedoch praktisch völlig benötigt wird, um den ³He-Strom im Zuleitungskanal abzukühlen. Die vorstehend erwähnte Kühlwirkung ergibt sich somit durch den Umlauf des ³He. Um die Kühlung zu verbessern, wurde bei der bekannten Vorrichtung vorgeschlagen, den Verdampfer über ein Superleck mit einem ⁴He-Bad von etwa 13 K zu verbinden. Aus dem ⁴He-Bad wird weiter ⁴He einem Raum zugeführt, der an einer Stelle zwischen der Mischkammer und dem Verdampfer über ein zweites Superleck mit dem Verbindungskanal verbunden ist. Diese Bauart bezweckt eine turbulente Strömung von ⁴He im Verbindungskanal zu verursachen, die eine zusätzliche Kühlwirkung in der Mischkammer liefert. Für eine derartige turbulente Strömung von ⁴He im Ableitungskanal ist es jedoch erforderlich, daß an irgendeiner Stelle im ⁴He-Stromkreis, der aus dem Verdampfer, dem ersten Superleck, dem zweiten Superleck, der Mischkammer und dem Verbindungskanal besteht die benötigte Antriebskraft erzeugt wird.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist daß die erforderliche Antriebskraft nicht oder wenigstens nicht in dem für eine gute Wirkung erforderlichen Masse, erhalten wird.

Die US-PS 33 76 712 beschreibt auch eine Vorrichtung von der Art auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, bei der zur Steigerung der durch den Phasenübergang von der ³He-reichen Phase in die ³He-arme Phase in der Mischkammer erzielten Kühlwirkung der Verdampfer über einen Kanal, in dem ein Superleck aufgenommen ist mit einem Teil des Verbindungskanals zwischen der Mischkammer und dem Verdampfer verbunden ist, wobei dieser Teil durch betätigbare Absperrorgane von der Mischkammer oder dem Verdampfer oder beiden abgeschlossen werden kann. Dadurch, daß die Absperrorgane richtig betätigt werden, ergibt sich eine Art von Dampfmaschinenzyklus, bei dem ein ³He enthaltendes Gemisch sich in praktisch reinem ⁴He weiter entspannt das durch das Superleck aus dem Verdampfer zugeführt wird. Da die Antriebskraft für die Zufuhr des ⁴He nur aus dem osmotischen Druckunterschied über dem Superleck besieht, kann die Wirkung nur beschränkt sein.

Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung sind ihre Kompliziertheit und die auf sehr niedriger Temperatur arbeitenden Absperrorgane (Abnutzung und dadurch bedingtes Einlecken von Wärme).

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der vorstehend beschreibenen Art zu schaffen, bei der der erwähnte Nachteil behoben ist, und sie ist zu diesem

Zweck dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdampfer abgewendete Ende des erwähnten Superlecks an einen Raum angeschlossen ist, der mit einer Heizvorrichtung zur Zuführung von Wärme versehen ist und durch einen engen Kanal, in dem das Helium seine s kritische Geschwindigkeit überschreitet, und einen Kühler an einen Kanal angeschlossen ist, der mehrere Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen Teil von Wärmeaustauschern bilden, die auch im ι ο Verbindungskanal und im Zuführungskanal aufgenommene Wärmeaustauschkammern haben, während das andere Ende des letzteren Kanals im oberen Teil einer zweiten Mischkammer mündet, die höher als die erste Mischkammer angeordnet ist, während die erste und die zweite Mischkammer durch einen weiteren Verbindungskanal miteinander verbunden sind, der sich vom unteren Teil der zweiten zum oberen Teil der ersten Mischkammer erstreckt, wobei der Kanal, bevor er in die zweite Mischkammer mündet, auch mit der ersten Mischkammer und gegebenenfalls mit dem weiteren Verbindungskanal im Wärmeaustausch ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich durch die Wärmezufuhr an den erwähnten Raum eine Springbrunnenpumpwirkung über dem ersten Superleck, so daß superflüssiges Helium aus dem Verdampfer zum erwähnten Raum fließt Dieses Helium fließt weiter durch den engen Kanal, in dem es seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, zum Kühler und zum Eingang des zweiten Superlecks. Durch die Reihen- Jo schaltung des ersten Superlecks, des engen Kanals und des Kühlers wird jetzt eine Antriebskraft auf das ⁴He erzeugt, die groß genug ist, um dieses ⁴He durch den Superiecke enthaltenden Kanal, die erste und zweite Mischkammer und die Verbindungskanäle und wieder ->5 zurück zum Verdampfungsbehälter umlaufen zu lassen. Das Überraschende liegt darin, daß mit dieser Vorrichtung, deren Wirkungsweise nachstehend näher erläutert wird, in der zweiten Mischkammer eine Temperatur *όπ etwa 0,6 mK erzielbar ist.

An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel schematisch dargestellt ist, wird die Erfindung nachstehend näher erläutert

Die Bezugsziffer 1 bezeichnet ein* erste Mischkammer. An diese Mischkammer 1 schließt sich ein Zuleitungskanal 2 für ³He an. Die Mischkammer 1 ist weiter durch einen Verbindungskanal 3 mit einem Verdampfer 4 verbunden, der mit einer Ableitung 5 für so dampfförmiges ³He versehen ist Die Ableitung 5 kann z. B. an eine nicht dargestel'te Gaspumpe angeschlossen sein. Der Zuführungskanal 2 und der Verbindungskanal 3 stehen durch Wärmeaustauscher 6, 7, 8 und 9 in wärmeaustauschender Berührung miteinander. Die Mischkammer I der Verbindungskanal 3 und der Verdampfer 4 sind mit einer ³He-⁴He-Gemisch gefüllt. An den Verdampfer 4 schließt sich ein Superleck 10 an, dessen anderes Ende an einen Raum U angeschlossen ist, in dem eine Heizwendel 12 angebracht ist Der Raum 11 ist durch einen engen Kanal 13 und einen Kühler 14 mit einem Ende eines Kanals 15 verbunden, das Superlecke und zwischengeschaltete Wärmeaustauschkammern enthält, die je einen Teil der Wärmeaustauscher 6, 7i 8 und 9 bilden. Nach dem letzten Wärmeaustauscher 6 ist der Kanal 15 an der Stelle im Wärmeaustausch mit der ersten Mischkammer 1 und dann im Wärmeaustauscher 17 im Wärmeaustausch mit dem Verbindungskanal 18 zwischen der ersten Mischkammer 1 und einer zweiten Mischkammer 19, in die der Kanal 15 oben mündet Unter Umständen kann der Wärmeaustauscher 17 entfallen.
Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist wie folgt
Die Mischkammer 1, der Verbindungskanal 3 und der Verdampfer 4 sind mit einem ³He-⁴He-Gemisch gefüllt Durch die Ableitung 15 wird im wesentlichen ³He abgeleitet, das flüchtiger als ⁴He ist Durch den Zuführungskanal 2 wird im wesentlichen ³He zur Mischkammer 1 geführt, in der die zugeführte ³He-reiche Phase in die ³He-arme Phase übergeht, welcher Übergang mit einer Kälteerzeugung verbunden ist, wobei die Kälte zum Kühlen irgendeines Gegenstandes benutzt werden kann. Das ³He fließt dann durch den Verbindurrgskanal 3 wieder zum Verdampfer 4.
Überdies wird dadurch, daß mit Kx'e der Heizwendel

12 im Raum 11 eine etwas höhere Temperatur als im Verdampfer 4 eingestellt wird, infolge der auftretenden Springbrunnenpumpwirkung ⁴He aus dem Verdampfer 4 durch das Superleck 10 zum Raum 11 befördert Dies hat der, zusätzlichen Vorteil, daß der Entzug von ⁴He mit einer Wärmeentwicklung im Verdampfer 4 verbunden ist so daß die Verdampfung von ³He ohne zusätzliche Heizung erfolgen kann. Aus dem Raum 11 fließt dieses ⁴He durch den Kanal 13 und den Kühler 14 zum Eingang des Superlecks 15. Infolge der Reihenschaltung des Superlecks 10, des Raumes 11, des Kanals

13 und des Kühlers 14 wird auf dieses ⁴He eine derartige Antriebskraft ausgeübt, daß sich am Eingang des Kanals 15 ein hoher Duck ergibt. Dieser hoher Druck bewirkt, daß supraflüssiges ⁴He durch den Kanal 15 entgegen dem Temperaturgradienten zum anderen Ende des Kanals fließt. Während dieses Fließens findet ein Wärmeaustausch mit dem Verbindungskanal statt, in dem die weitere Entspannung von ³He in ⁴He weitere Kälte erzeugt, so daß das ⁴He gut gekühlt wird. Eine weitere Kühlung erfolgt an der Stelle 16, an der das ⁴He mit dem sehr kalten Gemisch in der Mischkammer 1 Wärme austauscht

Die zweite Mischkammer 19 steht durch den Verbindungskanal 18 mit der Mischkammer 1 in Verbindung, wobei der Wärmeaustauscher 17 einen Wärmeaustausch zwischen dem ⁴He im Kanal 15 und dem Gemisch im Verbindungskanal 18 besorgt.

Das ⁴He gelangt am Ende in die Mischkammer 19, in der wiederum ein Phasenübergang von einer ³He-reichen Phase (die bereits in der Mischkammer 59 vorhanden ist) in die ³He-arme Phase des zugeführten ⁴He erfolgt, wobei Kälte erzeugt wird. Das gebildete Gemisch sinkt durch sein Gewicht durch den Kanal 18 in die Mischkammer 1, und aus dieser fließt es durch den Kanal 3 zum Verdampfer 4. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt somit die Kälteerzeugung auf zwei Pegeln, d. h in der Mischkammer 1 bei einer Temperatur von etwa 0,05 K und in der Mischkammer 19 bei einer Temperatur von etwa 0,6 mK. Insbesondere die letztere Temperatur ist mit eier bekannten Vorrichtung nicht erzielbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   23 Π

   Vorrichtung zur Wärmeübertragung von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturpegel, welche beiden Pegel unterhalb von 1 K liegen, wobei die Vorrichtung eine Mischkammer enthält, die mit einem Zuführungskanal zur Zuführung eines im wesentlichen aus ³He bestehenden Mediumstroms versehen ist, und durch einen mit dem Zuführungskanal in wärmeaustauschender Berührung stehenden Verbindungskanal mit einem Verdampfer verbunden ist, wobei im Betrieb die Mischkammer, der Verbindungskanal und der Verdampfer ein Gemisch aus ⁴He und ³He enthalten, während weiter der Verdampfer mit einer Ableitung für im wesentlichen ι s dampfförmiges ³He versehen ist und die Vorrichtung mindestens ein Superleck enthält, dessen eines Ende in den Verdampfer in der Nähe des Bodens, mündet, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Superleck (10) mit dem vom Verdampfer a> abgewendeten Ende an einen Raum (11) angeschlossen ist, der mit einer Heizvorrichtung (12) zur Zuführung von Wärme versehen ist, und durch einen engen Kanal (13), in dem das Helium seine kritische Geschwindigkeit überschreitet, und einen Kühler (14) an einen Kanal (15) angeschlossen ist, der mehrere Superlecke enthält, wobei sich zwischen diesen Superlecken Wärmeaustauschkammern befinden, die je einen Teil von Wärmeaustauschern (6-9) bilden, die auch im Verbindungskanal (3) und ^⁰ dem Zuführungskanal (2) aufgenommene Wärmeaustauschkammern haben, während das andere Ende dieses Kanals (15) toi obena Teil einer zweiten Mischkammer (19) mündet, die höher als die erste Mischkammer (1) angeordnet ist, <- obei die erste und die zweite Mischkammer durch einen weiteren Verbindungskanal (18) miteinander verbunden sind, der sich vom unteren Teil der zweiten zum oberen Teil der ersten Mischkammer erstreckt, wobei der Kanal (15), bevor er in die zweite Mischkammer (19) mündet, auch mit der ersten Mischkammer (1) und gegebenenfalls mit dem weiteren Verbindungskanal (18) im Wärmeaustausch ist